第39卷第1期2023年2月山西大同大学学报（自然科学版）JournalofShanxiDatongUniversity(NaturalScienceEdition)Vol.39No.1Feb.2023基于水平集方法的传动带轮拓扑优化设计李晓敏（山西大同大学建筑与测绘工程学院，山西大同037003）摘要：为了使扫路车传动带轮在轻量化下加强静态刚度及提升抑制外界激励的能力，将基于水平集方法的拓扑优化技术应用到传动带轮的结构设计中。依据传动带轮的真实工况条件，利用HyperMesh对传动带轮进行有限元前处理，以目标函数选择小型扫路车主动带轮具有的刚度值最大化，约束条件为结构的体积比，对其进行水平集方法的拓扑优化设计，获得最优的主动带轮结构排布。结果表明，该传动带轮的静态刚度得到了一定的提升且消除应力集中现象。关键词：带轮；轻量化；水平集拓扑优化中图分类号：TP391文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1674-0874.2023.01.021带轮是传动装置中重要的传动部件，其质量好坏直接影响传动系统的性能。因此，工程中对传动带轮的承载能力、抑制振动及降噪、工作环境和轻量化等性能提出更高的标准[1-2]。近年来，国内外学者针对传动带轮的结构设计与性能分析等[3-9]进行了大量的研究，并取得了丰富的成果，而对于带轮的改进设计研究较少。为了让带轮在传动系统中具有良好的结构力学特性，且实现轻量化，目前简单的结构参数优化设计已满足不了现有的高性能带轮设计[10]。结构优化技术[11-13]是根据已有的工况条件和目标函数进行优化模型构建，并采用合理的优化算法进行迭代，使得结构具有优良的性能。随着计算机水平的提高，从而基于计算机辅助设计乃至优化设计也在工程结构设计领域中得到了推广与应用。现对小型扫路车采用基于水平集法的拓扑优化技术对其带轮的辐板结构进行优化设计，获得带轮结构性能的提升。1主动带轮工况条件依据与实验室合作企业中对于小型扫路车的主动带轮工况条件分析和总结可得，扫路车主动带轮（大带轮）对左立轴装配处产生一个100N且方向垂直向下的集中载荷；被动带轮（小带轮）对右立轴装配处产生一个50N且方向垂直向下的集中载荷。张紧后的两带轮会通过主动轮的转动来带动从动带轮转动（图1）。图1大小带轮张紧后的受力情况小型扫路车所选的电机功率和转速关系，依据《机械设计》[14]有：P=Fev1000（1）式中：P为电机功率，kW；Fe为皮带有效拉力，N；v为主带轮转速，m/s。各力间关系为：Fe=FN1-FN2（2）{FN1=FN3FN2=FN4（3）■■■■■■■FN1=FN3=F0+Fe2FN2=FN4=F0-Fe2...
